前言

• 上篇文章咱們證明了synchronized關(guān)鍵字的特性：無鎖、偏向鎖、輕量鎖、重(chong)偏向、重(chong)輕量、重量鎖。可以說synchronized是jvm層面實(shí)現(xiàn)同步的方式。在jdk中，存在一個叫java.util.concurrent的包，簡稱JUC，它是一個jdk層面的并發(fā)包，里面存在了大量與并發(fā)編程相關(guān)的api，其中最代表意義的就是atomic和lock兩種類別，前者是基于樂觀鎖CAS(Compare And Swap)的實(shí)現(xiàn)，后者是基于AQS(Abstract Queued Synchronizer)實(shí)現(xiàn)。本文將詳細(xì)講解下AQS原理以及根據(jù)兩個案例來解讀ReentrantLock源碼。
• 兩個案例：

  1.線程A單獨(dú)加鎖
  2.線程A正在持有鎖的過程中，線程t1來加鎖

一、AQS原理

• AQS簡稱Abstract Queued Synchronizer，它的核心是基于一個雙向鏈表組成的隊(duì)列(CLH隊(duì)列) + volatile關(guān)鍵字修飾的int類型變量實(shí)現(xiàn)的。(關(guān)于volatile關(guān)鍵字可以參考其他博主的一些總結(jié): 傳送門)，大致核心可以以如下圖來呈現(xiàn)：
  

  在這里插入圖片描述
  
  簡單總結(jié)就是：內(nèi)部使用雙向鏈表維護(hù)了一個隊(duì)列，其中Node數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為此隊(duì)列的基石，內(nèi)部維護(hù)了prev(指向上一個節(jié)點(diǎn))、next(指向下一個節(jié)點(diǎn))、waitStatus(當(dāng)前node的狀態(tài))、thread(當(dāng)前維護(hù)的線程)四個重要的屬性。其中waitStatus分別有如下取值：

  Node中waitStatus具體取值	含義
  CANCELLED(1)	中斷或取消，此狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)會從隊(duì)列中移除
  SIGNAL(-1)	此狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)一定是在隊(duì)列排隊(duì)中
  CONDITION(-2)	條件阻塞，比如說內(nèi)部因Condition而阻塞的節(jié)點(diǎn)
  PROPAGATE(-3)	表示下一個acquireShared應(yīng)該無條件傳播
  0	默認(rèn)狀態(tài)

  除此之外，隊(duì)列中還維護(hù)了三個屬性，head(指向隊(duì)列中的頭節(jié)點(diǎn))、state(鎖的狀態(tài))、tail(指向隊(duì)列中的尾節(jié)點(diǎn))。其中，state的取值有兩種情況，將以如下表展示出來：

  AQS中state具體取值	含義
  0	表示當(dāng)前鎖沒有被線程持有
  1	表示當(dāng)前鎖正在被線程持有
  大于1	表示當(dāng)前鎖被線程重入了(重入鎖)，這里要注意：ReentrantLock重入了幾次，就要釋放幾次鎖

二、案例1：線程A單獨(dú)加鎖

• 代碼如下：

  public class SimpleThreadLock {
  
      static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
  
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          Thread a = new Thread(() -> {
              try {
                  lock.lock();
                  System.out.println("Get lock");
              } catch (Exception e) {
                  e.printStackTrace();
              } finally {
                  lock.unlock();
              }
          }, "線程a");
  
          a.start();
          a.join();
          System.out.println("end");
      }
  }
  

  代碼也比較簡單，就是在主線程中創(chuàng)建了一個線程，并且內(nèi)部去使用ReentrantLock加鎖，獲取到鎖后就打印出Get lock這句話，當(dāng)t1線程執(zhí)行完后再繼續(xù)執(zhí)行主線程的邏輯。這里就不一步步演示斷點(diǎn)了，直接上源碼。

• 這里先說明下ReentrantLock重載的兩個構(gòu)造方法

  // 默認(rèn)非公平鎖
  public ReentrantLock() {
      sync = new NonfairSync();
  }
  
  // 若傳入true則是公平鎖
  public ReentrantLock(boolean fair) {
      sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
  }
  

  因?yàn)樵蹅儌魅肓?strong>true進(jìn)去，所以此時，它是一把公平鎖。

• lock.lock()方法，因?yàn)樵蹅冎付耸褂霉芥i，所以最終會進(jìn)入ReentrantLock內(nèi)部維護(hù)的FairSync類的lock方法

  // FairSync類下的lock方法
  final void lock() {
      acquire(1);
  }
  

  于是，我們需要找到acquire方法，此方法為AQS(父類AbstractQueuedSynchronizer)的方法，所以最終會進(jìn)入如下這么一段代碼：

  public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }
  

  這段代碼，看似很精簡，但是它做的事真的太多了。濃縮的才是精華呀！好了，咱們不偏題，繼續(xù)按照咱們的主題：線程A單獨(dú)加鎖。不過要繼續(xù)往下看，還是要加深下acquire方法的含義，我們必須要tryAcquire方法返回false，才能繼續(xù)走if條件中后面的邏輯，以及if條件內(nèi)部的邏輯。于是，我們直接看tryAcquire方法源碼：

• tryAcquire方法

  protected boolean tryAcquire(int arg) {
      throw new UnsupportedOperationException();
  }
  

  tryAcquire方法是一個protected方法，內(nèi)部直接拋出了一個異常，還記得咱們是從哪個類掉用到父類AbstractQueuedSynchronizer的acquire方法的？沒錯，就是FairSync類。那么咱們就直接定位到FairSync類的tryAcquire方法唄。

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      // 拿到當(dāng)前線程，也就是線程A
      final Thread current = Thread.currentThread();
  
      // 拿到當(dāng)前aqs的state變量，我們沒有修改過它，
      // 默認(rèn)為0
      int c = getState();
      if (c == 0) {
          // 進(jìn)入此邏輯，此邏輯跟acquire方法有點(diǎn)類似
          // 必須要hasQueuedPredecessors()方法返回false
          // 才能繼續(xù)往下執(zhí)行，于是我們把hasQueuedPredecessors的源碼也貼出來
          if (!hasQueuedPredecessors() &&
              compareAndSetState(0, acquires)) {
              setExclusiveOwnerThread(current);
              return true;
          }
      }
      else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
          int nextc = c + acquires;
          if (nextc < 0)
              throw new Error("Maximum lock count exceeded");
          setState(nextc);
          return true;
      }
      return false;
  }
  

• hasQueuedPredecessors方法源碼

  public final boolean hasQueuedPredecessors() {
      // 拿到aqs中的tail
      Node t = tail; 
      // 拿到aqs中的head
      Node h = head;
      Node s;
  
      return h != t &&
          ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
  }
  

  此方法涵蓋的情景比較多，但是就當(dāng)前情景而言，它很容易理解，在當(dāng)前情形中，我們壓根沒操作過tail和head那么h 肯定等于 t，所以此方法返回false，返回false后，我們回到FairSync類的tryAcquire方法，

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      // .... 上半部分代碼省略
      if (c == 0) {
          // 在當(dāng)前情景下，hasQueuedPredecessors返回的是false
          // 也就是說會繼續(xù)走if后面的邏輯，
          // if后面的邏輯就是執(zhí)行CAS操作，
          // 將state屬性從0設(shè)置成1
          // 由于此時只有一個線程在執(zhí)行，
          // 這個cas操作一定是成功的
          // cas成功后就會執(zhí)行setExclusiveOwnerThread代碼，這段代碼很有用
          // 它是一個賦值的操作，也就是記錄
          // 當(dāng)前擁有鎖的線程
          if (!hasQueuedPredecessors() &&
              compareAndSetState(0, acquires)) {
              setExclusiveOwnerThread(current);
              return true;
          }
      }
      // .... 下半部分else if邏輯也省略了
      return false;
  }
  

  通過上述代碼中的注釋，我們可以發(fā)現(xiàn)，線程A加鎖成功后會返回true，至此，tryAcquire的返回值為true。還記的我們是從哪個方法進(jìn)來的嗎？是的，是從父類AbstractQueuedSynchronizer的acquire方法進(jìn)來的，上面總結(jié)到了，只有當(dāng)tryAcquire返回false，才會繼續(xù)往下執(zhí)行。至此，線程A單獨(dú)加鎖的案例就結(jié)束了。通過這么一個單線程加鎖的案例，如果你認(rèn)為AQS很簡單的話，那就大錯特錯了，單線程加鎖的案例中，我們僅使用到了AQS中的state變量，CLH隊(duì)列卻始終沒有涉及到，而且從加鎖到加鎖結(jié)束的整個過程，我們連一個Node類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都沒有看到過。那Node類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)什么時候會被用到呢?我們來看下一個案例線程A正在持有鎖的過程中，線程t1來加鎖

三、案例2：線程A正在持有鎖的過程中，線程t1來加鎖

• 同樣的，咱們改造下代碼：

  public class TwoThreadLock {
  
      static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
  
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          new Thread(() -> {
              try {
                  lock.lock();
                  System.out.println("Thread a get lock");
                  TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
              } catch (Exception e) {
                  e.printStackTrace();
              } finally {
                  lock.unlock();
              }
          }, "線程a").start();
  
          Thread t1 = new Thread(() -> {
              try {
                  lock.lock();
                  System.out.println("Thread t1 get lock");
              } catch (Exception e) {
                  e.printStackTrace();
              } finally {
                  lock.unlock();
              }
          }, "線程t1");
  
          t1.start();
          t1.join();
  
          System.out.println("end");
      }
  }
  

  上段代碼，毫無疑問，線程t1在調(diào)用lock.lock()方法時，就阻塞到那里了，要等線程a睡60s后才會繼續(xù)執(zhí)行，那么這里面到底做了哪些事呢？我們來一起研究下。

• 同案例1，使用的是公平鎖，最終肯定會調(diào)用到tryAcquire方法去，咱們這次就一次性的把tryAcquire方法給講清楚

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      // 拿到當(dāng)前線程，也就是線程t1
      final Thread current = Thread.currentThread();
  
      // 拿到當(dāng)前aqs的state變量，此時的c是多少呢？
      // 沒錯，是1，因?yàn)殒i已經(jīng)被線程A占有了，此時的
      // state為1。于是它會走else if邏輯
      int c = getState();
      if (c == 0) {
          // 進(jìn)入此邏輯，此邏輯跟acquire方法有點(diǎn)類似
          // 必須要hasQueuedPredecessors()方法返回false
          // 才能繼續(xù)往下執(zhí)行，于是我們把hasQueuedPredecessors的源碼也貼出來
          if (!hasQueuedPredecessors() &&
              compareAndSetState(0, acquires)) {
              setExclusiveOwnerThread(current);
              return true;
          }
      }
      // 走了else if邏輯，它也發(fā)現(xiàn)當(dāng)前持有鎖的線程不是自己呀，于是直接return false
      // 這里順帶解釋下這個else if的邏輯，這個else if
      // 就是判斷當(dāng)前調(diào)用lock方法的線程是不是和當(dāng)前持有
      // 鎖的線程一樣，如果是一樣的，則將state + 1并賦值給nextc屬性
      // 這就表示了ReentrantLock支持重入性
      // 那么什么時候會出現(xiàn)nextc屬性小于0的情況呢？
      // nextc是一個int類型，當(dāng)超過了它的存儲返回后
      // 會出現(xiàn)小于0的情況 ===> 也就是說ReentrantLock
      // 的重入次數(shù)最大為支持int類型最大值
      else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
          int nextc = c + acquires;
          if (nextc < 0)
              throw new Error("Maximum lock count exceeded");
          setState(nextc);
          return true;
      }
      return false;
  }
  

  通過上述代碼塊中的注釋可知，線程t1的加鎖流程并沒有這么順利，在tryAcquire方法中返回了false，那這代表了什么呢？是的，它代表著線程t1可以繼續(xù)走acquire后面的邏輯了，咱們繼續(xù)把a(bǔ)cquire方法貼出來：

  public final void acquire(int arg) {
      // 在案例2的情況下，tryAcquire方法返回了false
      // 于是會執(zhí)行后面的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
      // 當(dāng)acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)返回了true才會執(zhí)行內(nèi)部的selfInterrupt()方法
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }
  

  于是，咱們先了解下addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法，它的源碼如下：

  private Node addWaiter(Node mode) {
      // 此時的mode是由上述代碼塊傳入的，
      // 它的值為Node.EXCLUSIVE ===> 這是一個空節(jié)點(diǎn)，
      // 值為null，
      // 創(chuàng)建了一個node節(jié)點(diǎn), 內(nèi)部維護(hù)了當(dāng)前線程(線程t1)，并且它的next節(jié)點(diǎn)為null(有Node的構(gòu)造方法可知)
      Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
      // 拿到aqs隊(duì)列中的tail屬性，
      // 此時肯定為null啊(aqs隊(duì)列都沒初始化，哪來的隊(duì)尾節(jié)點(diǎn))
      Node pred = tail;
      if (pred != null) {
          node.prev = pred;
          if (compareAndSetTail(pred, node)) {
              pred.next = node;
              return node;
          }
      }
      
      // 此時pred為null，即不會走上面的if邏輯，于是執(zhí)行enq方法，記?。捍藭r傳入enq方法時的形參為新new出來的Node
      // 內(nèi)部維護(hù)的是當(dāng)前線程(線程t1)
      enq(node);
      return node;
  }
  

  上面代碼塊的注釋也說了，最終會執(zhí)行到enq方法，enq方干啥的呢？猜一下？是的，它就是初始aqs隊(duì)列的。我們來看一下它的源碼：

  /**
   形參node內(nèi)部維護(hù)的線程為t2, 并且它的next屬性指向?yàn)閚ull
   */
  private Node enq(final Node node) {
      // 此處寫了一個死循環(huán)，也就是常說的自旋鎖
      for (;;) {
          // 自旋的過程中
          // 第一次自旋：
          //  拿到隊(duì)尾元素, 此時隊(duì)列都沒有，肯定為null
          //  發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中的tail指向的是null，于是初始化tail節(jié)點(diǎn)，并讓aqs中的head指向了tail，
          //  至此，aqs簡易版本的隊(duì)列就出來啦，
          //  head和tail指向同一個node，并且此node內(nèi)部
          //  維護(hù)的thread、prev、next、waitStatus全是默認(rèn)值
          // 由于是if else邏輯，所以初始化tail屬性后，就會進(jìn)行第二次自旋
          // 第二次自旋:
          //  再次拿到tail, 由于第一次自旋把tail給初始化了，所以此時拿到的tail不為null, 于是走了else邏輯
          //  在else中，主要操作的是形參node, 還記得形參node是什么嗎? ==> 維護(hù)當(dāng)前線程(線程t1)的node節(jié)點(diǎn)，
          //  此時會將node的上一個節(jié)點(diǎn)指向t節(jié)點(diǎn)
          //  同時進(jìn)行cas操作，將node節(jié)點(diǎn)變成tail
          //  當(dāng)cas成功后，再設(shè)置t的next指向node
          //  最終返回這個t.
          //  此時此刻這個t是什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢？
          //  此時的這個t就是隊(duì)列中的head節(jié)點(diǎn)了，
          //  并且它的next為node(維護(hù)線程t1)
          //  所以此時此刻隊(duì)列中現(xiàn)在有兩個元素了
          Node t = tail;
          if (t == null) { // Must initialize
              if (compareAndSetHead(new Node()))
                  tail = head;
          } else {
              node.prev = t;
              if (compareAndSetTail(t, node)) {
                  t.next = node;
                  return t;
              }
          }
      }
  }
  

  代碼中的注釋描述了enq的過程，我專門畫了一個圖來描述aqs隊(duì)列產(chǎn)生的過程，幫助理解：

  
  
  在這里插入圖片描述
  
  

  enq初始化aqs隊(duì)列的過程后，就執(zhí)行到了addWaiter方法的出口了

  private Node addWaiter(Node mode) {
      // ....上述代碼省略
      // enq初始化隊(duì)列后，會將node進(jìn)行返回
      // 這個node就是維護(hù)線程t1的node，它已經(jīng)是
      // 隊(duì)列中的隊(duì)列了
      enq(node);
      return node;
  }
  

  addWaiter方法執(zhí)行完了之后，將繼續(xù)執(zhí)行acquire方法

  public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }
  

  此時應(yīng)該接著執(zhí)行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)了，由于addWaiter方法已經(jīng)執(zhí)行完成，返回的是擁有當(dāng)前線程的node，同時它也是當(dāng)前隊(duì)列中的隊(duì)尾。我們來查看下acquireQueued的源碼：

  /**
   node形參為維護(hù)當(dāng)前線程(t1)的節(jié)點(diǎn),
   同時arg為1
   */
  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
      boolean failed = true;
      try {
          boolean interrupted = false;
          // 此處又自旋了
          for (;;) {
              // 獲取到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上一個節(jié)點(diǎn)，在
              // 當(dāng)前案例下，它是head節(jié)點(diǎn)
              final Node p = node.predecessor();
              // 第一次自旋：
              //   做判斷，發(fā)現(xiàn)上一個節(jié)點(diǎn)是head節(jié)點(diǎn)
              //   于是繼續(xù)執(zhí)行加鎖方法tryAcquire
              //   因?yàn)樵诋?dāng)前案例下，線程a睡眠了60s
              //   肯定還是加鎖失敗的，加鎖失敗后，
              //   則走下面的邏輯，這里就是為了當(dāng)前
              //   節(jié)點(diǎn)繼續(xù)上鎖、因?yàn)橛锌赡芮懊娴?            //   節(jié)點(diǎn)已經(jīng)釋放鎖了，或者說被park
              //   的線程被unpark了，要繼續(xù)自旋，
              //   嘗試獲取鎖
              if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                  setHead(node);
                  p.next = null; // help GC
                  failed = false;
                  return interrupted;
              }
              
              // 判斷當(dāng)前這個節(jié)點(diǎn)是否需要park
              // 什么是park？就是使用unsafe類來阻塞指定的線程,
              // 在shouldParkAfterFailedAcquire方法中
              // 傳入的是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和上一個節(jié)點(diǎn)，
              // 大致邏輯為：
              //   1. 判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上一個節(jié)點(diǎn)(即p)的waitStatus是不是SIGNAL(-1)狀態(tài)，如果是則返回true
              //     SIGNAL代表什么呢？上面的表格中有說到
              //     SIGNAL代表這個Node是處于排隊(duì)狀態(tài)
              //     因此可以得出一個結(jié)論：如果上一個節(jié)點(diǎn)也處于排隊(duì)狀態(tài)
              //     那么我就返回true，進(jìn)而執(zhí)行parkAndCheckInterrupt方法，parkAndCheckInterrupt方法就是讓park當(dāng)前線程，讓當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，自旋再此暫停
              //   2. 如果p節(jié)點(diǎn)的waitStatus為負(fù)數(shù)，即不是中斷或者取消狀態(tài)
              //      那么它會將p的waitStatus置為-1.并返回false
              //      進(jìn)而進(jìn)入第二次自旋，當(dāng)進(jìn)入第二次自旋時，若上面還未獲取鎖成功，那么當(dāng)前線程就會被park
              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                  parkAndCheckInterrupt())
                  interrupted = true;
          }
      } finally {
          if (failed)
              cancelAcquire(node);
      }
  }
  

  所以，當(dāng)線程t2在執(zhí)行到此方法時，發(fā)現(xiàn)head即線程a對應(yīng)的node的waitStatus為0，于是會自旋一次將head的waitStatus置為-1，然后再繼續(xù)自旋，此時自己嘗試加鎖又失敗了，此時就會進(jìn)入park狀態(tài)。所以就在acquireQueued方法處阻塞了，等待線程a釋放鎖后喚醒線程t1。至此案例2的加鎖過程也結(jié)束了

四、總結(jié)

• 本次只是基于兩個簡單的案例來認(rèn)識ReentrantLock加鎖流程的源碼，其中還有很多其他的case沒有涉及到。這兩種案例算是認(rèn)識ReentrantLock加鎖源碼的入門吧。下篇博客將介紹下基于這兩種案例的解鎖過程。
• ReentrantLock加鎖流程涉及到每個方法的詳細(xì)步驟可查看在github中的總結(jié)：傳送門
• I am a slow walker, but I never walk backwards.